Мембранные ферменты «останавливают и обыскивают» белки без разбора

Исследователи из Университета Джонса Хопкинса впервые, как полагают, выяснили внутренний механизм работы важного класса ферментов, расположенных во внешних оболочках клеток. К их удивлению, эти «белковые ножницы», называемые ромбоидными протеазами, кардинально отличаются от почти всех других изученных ферментов: они не проявляют притяжения к белкам, которые разрезают, и делают это крайне медленно.

По словам учёных, эти результаты могут объяснить, почему попытки разработать лекарства, нацеленные на эти ферменты (участвующие в болезни Паркинсона и паразитарных инфекциях), до сих пор проваливались. Итоги исследования будут опубликованы в журнале Cell 5 декабря.

«Свойства, которые для большинства ферментов были бы проблемой, как раз и придают ромбоидным протеазам их уникальную функцию в клетке», — говорит Синиша Урбан, доктор философии. — «Наши результаты показывают, чтобы поймать и разрезать все нестабильные белки в клеточных мембранах, ромбоидные протеазы должны «останавливать и обыскивать» их все без разбора, а скорость разрезания должна быть достаточно низкой, чтобы стабильные белки могли ускользнуть без повреждений».

Ферменты — это, по сути, белки, модифицирующие другие молекулы. Эффективность ферментов зависит от двух факторов: «магнетизма» (притяжения между ферментом и его «добычей») и скорости, с которой фермент вносит изменения.

Большинство ферментов работают в водной среде, что облегчает их изучение. Однако маслянистый слой жировых молекул, образующий границу клетки, — это кардинально иная среда. Она более плотная, в ней нет воды (обычно необходимой для работы ферментов), и она двумерна, что ограничивает позиционирование ферментов и их мишеней. Несмотря на эти различия, многие исследователи предполагали, что все ферменты работают одинаково.

Чтобы проверить это, команде Урбана нужно было измерить скорость ромбоидных протеаз. Но традиционный способ измерения скорости мембранного фермента был похож на наблюдение за людьми, которые начали забег внутри туннеля, где их не видно. «У нас не было инструментов, чтобы увидеть начало гонки, когда ферменты самые быстрые», — объясняет Сет Дики, ведущий автор исследования.

Чтобы преодолеть эту трудность, команда синхронизировала ферменты, настроив их «гонку» в кислых условиях, которые инактивируют ромбоидные протеазы. Это позволило выключить фермент и держать его выключенным до нейтрализации кислотности, когда исследователи были готовы начать наблюдение.

Команда зафиксировала одни из самых медленных ферментов из известных. На каждый разрез у них уходило более двух с половиной минут, в то время как большинству ферментов требуются сотые доли секунды. Кроме того, ферменты не проявляли избирательного притяжения к одним белкам по сравнению с другими.

Хотя эти результаты удивительны, Урбан видит им разумное объяснение. По его мнению, в норме ромбоидные протеазы, вероятно, действуют как ферменты контроля качества, разрезая нестабильные белки до того, как они нанесут вред организму. В водной среде нестабильные белки довольно шаткие, и их легко распознать и уничтожить. Распознать же нестабильные белки в масляной среде сложнее, потому что молекулы жира поддерживают их, создавая видимость стабильности.

Из предыдущих работ команде известно, что ромбоидные протеазы напоминают бочки, заполненные водой, с боковыми воротами для входа белка. Новое исследование предполагает, что и стабильные, и нестабильные белки входят через эти ворота. Стабильные белки, вероятно, остаются целыми и успевают выскользнуть обратно в мембрану до того, как медленные «ножницы» фермента успеют их разрезать. Нестабильные же белки начинают шататься в водной внутренней среде и с трудом покидают «бочку» фермента, где и будут разрезаны, что позволит клетке переработать их на запчасти.

«Мы надеемся, что эта новая техника синхронизации ферментов и полученные нами выводы будут широко применяться ко всем мембранным ферментам», — говорит Урбан.

Он отмечает, что к мембранным ферментам относятся ферменты, вовлечённые в широкий спектр заболеваний: от болезни Альцгеймера до лейкемии и вирусных, бактериальных и грибковых инфекций. Например, гамма-секретаза — это мембранный фермент, отвечающий за обработку белка бета-амилоида. Разрезание бета-амилоида в неправильном месте, по-видимому, приводит к образованию его скоплений в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера. Урбан утверждает, что правильное понимание работы мембранных ферментов крайне важно для поиска лекарств, модифицирующих их поведение.